... konulu sunumlar: "Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 1 Bölüm 6 TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI."— Sunum transkripti:
1
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 1 Bölüm 6 TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI
2
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 2 TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASINA GİRİŞ Daha soğuk bir odada bulunan bir fincan sıcak kahve daha çok ısınmaz. Tele ısı geçişi elektrik üretimine yol açmaz. Çarka ısı geçişi çarkın dönmesini sağlamaz. Bu işlemler birinci kanuna uymalarına rağmen, gerçekleşemezler.
3
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 3 Hal değişimleri belirli bir yönde gerçekleşir. Ters yönde gerçekleşmez. Bir hal değişiminin gerçekleşebilmesi için termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının sağlanması zorunludur. İKİNCİ YASANIN ESAS KULLANIMI 1.İkinci yasa hal değişimlerinin yönünü açıklayabilir. 2.İkinci yasa aynı zamanda enerjinin niceliği kadar niteliğinin de olduğunu öne sürer. Birinci yasa, niteliğiyle ilgilenmeksizin, enerjinin niceliğiyle ve bir biçimden diğerine dönüşümüyle ilgilidir. İkinci yasa, enerjinin niteliğinin ve bir hal değişimi sırasında bu niteliğin nasıl azaldığının belirlenmesinin gerekli vasıtalarını sağlar. 3.Termodinamiğin ikinci yasası, yaygın olarak kullanılan ısı makineleri ve soğutma makineleri gibi mühendislik sistemlerinin verimlerinin kuramsal sınırlarının ve kimyasal reaksiyonların hangi oranda tamamlanacaklarının belirlenmesinde de kullanılır.
4
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 4 ISIL ENERJİ DEPOLARI Isıl enerji sığaları büyük kütleler, ısıl enerji deposu olarak tanımlanabilir. Isıl kaynak ısıl enerji sağlar, ısıl kuyuya ısıl enerji verilir. Sıcaklığında bir değişim olmaksızın, sonlu miktarda ısıyı verebilecek ya da alabilecek büyüklükte ısıl enerji sığasına (kütle x özgül ısı) sahip cisimler ısıl enerji deposu veya yalnızca depo olarak adlandırılır. Uygulamada atmosferik hava kadar, okyanuslar, göller ve akarsular gibi büyük su kütleleri de büyük enerji depolama yetenekleri veya ısıl kütleleri nedeniyle, birer ısıl enerji deposu olarak düşünülebilirler
5
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 5 ISI MAKİNELERİ İşin tümü her zaman ısıl enerjiye dönüştürülebilir, fakat bunun tersi doğru değildir. Isı makinesi aldığı ısının bir bölümünü işe dönüştürür, geri kalanını düşük sıcaklıktaki bir ısıl kuyuya verir. Makineler ısıyı işe dönüştürürler. 1.Yüksek sıcaklıktaki bir kaynaktan (güneş enerjisi, kazanlar, nükleer reaktörler vb.) ısı alırlar. 2.Geri kalan atık ısıyı düşük sıcaklıktaki bir kuyuya (atmosfer, akarsular, vb.) verirler. 3.Bir çevrim gerçekleştirerek çalışırlar. Isı makineleri ve bir çevrime göre çalışan diğer makineler, çevrimi gerçekleştirirken ısı alışverişini yapabilecekleri ortam olarak genellikle bir akışkan içerirler. Bu akışkana iş akışkanı denir.
6
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 6 Bir buharlı güç santrali Isı makinesinin yaptığı işin bir bölümü, sürekli çalışmayı sağlamak için çevrim içinde kullanılır. Q giren = Yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağından (kazandan) suya geçen ısı miktarı. Q çıkan = Yoğuşturucuda buhardan düşük sıcaklıktaki kuyuya (atmosfer, akarsular vb.) geçen ısı miktarı. W çıkan = Türbinde genişlerken buhar tarafından üretilen iş miktarı. W giren = Suyu kazan basıncına sıkıştırmak için gereken iş miktarı.
7
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 7 Isıl verim Bazı ısı makinelerinin verimi daha yüksektir (aldıkları ısının daha büyük kısmını işe dönüştürürler). Isı makinesinin genel çizimi Verimi en yüksek ısı makineleri bile, aldıkları ısının neredeyse yarısını atık ısı olarak çevreye verirler.
8
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 8 Q çıkan Olmayabilir mi? Bir ısı makinesi çevrimi, düşük sıcaklıktaki ısıl kuyuya bir miktar enerji vermeden tamamlanamaz. Bir buharlı güç santralinin yoğuşturucusunda, büyük miktarlarda atık ısı akarsulara, göllere veya atmosfere atılmaktadır. Bu durumda yoğuşturucu santralden çıkarılıp söz konusu atık ısıdan tasarruf edilemez mi? Bu sorunun yanıtı, ne yazık ki kesin bir hayırdır. Çünkü, yoğuşturucuda ısı atılma işlemi gerçekleşmeden çevrim tamamlanamaz. İdeal koşullarda olsa bile, bütün ısı makinelerinin çevrimlerini tamamlayabilmek için bir miktar enerjiyi düşük sıcaklıktaki bir ısı deposuna atık olarak vermesi gerekir.
9
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 9 Termodinamiğin İkinci Yasası: Kelvin-Planck İfadesi İkinci yasanın Kelvin-Planck ifadesine aykırı bir ısı makinesi. Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir makinenin, yalnızca bir kaynaktan ısı alıp net iş üretmesi olanaksızdır. Hiçbir ısı makinesinin ısıl verimi yüzde 100 olamaz veya bir güç santralinin sürekli çalışabilmesi için iş akışkanının hem kazanla, hem de çevreyle ısı alışverişinde bulunması gerekir. Bir ısı makinesinin yüzde 100 ısıl verime sahip olamamasının, sürtünmeler veya diğer kayıplardan kaynaklanmadığı vurgulanmalıdır. Çünkü bu sınırlama gerçek ısı makineleri kadar, ideal ısı makineleri için de geçerlidir..
10
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 10 SOĞUTMA MAKİNELERİ VE ISI POMPALARI Düşük sıcaklıklı bir ortamdan yüksek sıcaklıklı bir ortama ısı geçişi kendiliğinden oluşmaz ve soğutma makineleri adı verilen özel makinelerin kullanımını gerektirir. Isı makineleri gibi soğutma makineleri de bir çevrim gerçekleştirerek çalışan makinelerdir. Soğutma çevriminde kullanılan iş akışkanı soğutucu akışkan olarak adlandırılır. En yaygın kullanılan soğutma çevrimi, buhar- sıkıştırmalı soğutma çevrimidir. Bir soğutma sisteminin ana elemanları ve tipik çalışma koşulları. Evlerde kullanılan bir buzdolabında, soğutucu akışkan tarafından ısının alındığı dondurucu bölüm, buharlaştırıcı işlevini görür. Buzdolabının arkasında bulunan ve ısının soğutucu akışkandan mutfak havasına geçmesine yarayan borular ise yoğuşturucu olarak görev yapar.
11
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 11 Etkinlik Katsayısı Bir soğutma makinesinin amacı, soğutulan ortamdan Q L ısısını çekmektir. Bir soğutma makinesinin verimi, etkinlik katsayısı ile ifade edilir ve COP SM ile gösterilir. Soğutma makinesinin amacı, soğutulan ortamdan ısı (Q L ) çekmektir. COP SM ‘in değeri birden büyük olabilir mi?
12
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 12 Isı Pompaları Bir ısı pompasının amacı, ılık ortama Q H ısısını vermektir. Bir ısı pompasına giren iş, soğuk dış ortamdan alınan ısıl enerjinin, ılık iç ortama verilmesini sağlar.. Q L ve Q H ‘ın sabit değerleri için COP IP ‘in değeri birden daha küçük olabilir mi? COP IP =1 neyi gösterir?
13
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 13 Termodinamiğin İkinci Yasası: Clausius İfadesi Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan ve düşük sıcaklıktaki bir cisimden aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir cisme aktarmak dışında hiçbir enerji etkileşiminde bulunmayan bir makine tasarlamak olanaksızdır. Buzdolabının kompresörüne bir elektrik motoru gibi herhangi bir dış güç kaynağı yoluyla iş girişi olmadan, buzdolabının kendiliğinden çalışamayacağı anlamına gelir. Böylece çevrimin çevre üzerindeki net etkisi, ısının daha soğuk bir cisimden daha sıcak olana aktarılması yanında, iş biçiminde bir miktar enerji tüketmesidir. Bugüne kadar ikinci yasaya aykırı bir deney yapılamamıştır. Bu da ikinci yasanın geçerliliğinin yeterli bir kanıtıdır. İkinci yasanın Clausius ifadesine aykırı bir soğutma makinesi.
14
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 14 TERSİNİR VE TERSİNMEZ HAL DEĞİŞİMLERİ Bilinen iki tersinir hal değişimi. En çok iş, tersinir hal değişimleri sırasında yapılır. En az iş, tersinir hal değişimleri sırasında gerekir. Tersinir hal değişimi: Çevrede herhangi bir iz bırakmadan tersi yönde gerçekleştirilebilen bir hal değişimi olarak tanımlanır. Tersinmez hal değişimi: Tersinir olmayan hal değişimlerine denir. Doğada tersinir hal değişimlerine rastlanmaz. Neden tersinir hal değişimleriyle uğraşırız ? (1) İncelemek kolaydır ve (2) Gerçek hal değişimlerinin karşılaştırılabileceği ideal modeller (kuramsal limitler) oluştururlar. Bazı hal değişimleri diğerlerine göre daha çok tersinmezdir. Tersinir hal değişimlerini tahmin etmeye çalışırız. Niçin?
15
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 15 Tersinmezlikler Sürtünme, bir hal değişimini tersinmez yapar. Tersinmez sıkıştırma ve genişleme işlemleri. (a) Sonlu sıcaklık farkında ısı geçişi tersinmezdir (b) soğuk ortamdan sıcak ortama kendiliğinden ısı geçişi olanaksızdır. Bir hal değişiminin tersinmez olmasına neden olan etkenlere tersinmezlikler adı verilir. Sürtünme, dengesiz genişleme, iki sıvının karışması, sonlu bir sıcaklık farkında ısı geçişi, elektrik direnci, katıların elastik olmayan şekil değişimleri ve kimyasal tepkimeler bu etkenler arasındadır. Bu etkenlerden herhangi birinin varlığı, hal değişimini tersinmez yapar.
16
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 16 İçten ve Dıştan Tersinir Hal Değişimleri Tersinir bir hal değişiminde sistem sınırları içinde ve dışında tersinmezlikler yoktur. İçten tersinir hal değişimi : Hal değişimi sırasında sistemin sınırları içinde tersinmezlikler meydana gelmiyorsa. Dıştan tersinir hal değişimi : Sistemin sınırları dışında tersinmezlikler meydana gelmiyorsa Tümden tersinir hal değişimi : Sistemin sınırları içinde ve ilişkide olduğu çevrede tersinmezlikler meydana gelmiyorsa Tümden tersinir bir hal değişiminde sonlu sıcaklık farkında ısı geçişi, sanki-dengeli olmayan değişimler, sürtünme ve benzer olgular yoktur. Tümden ve içten tersinir ısı geçişi.
17
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 17 CARNOT ÇEVRİMİ Tersinir sabit sıcaklıkta genişleme (1-2 hal değişimi, T H =sabit) Tersinir adyabatik genişleme (2-3 hal değişimi, sıcaklık T H ’den T L ’ye düşmektedir) Tersinir sabit sıcaklıkta sıkıştırma (3-4 hal değişimi, T L =sabit) Tersinir adyabatik sıkıştırma (4-1 hal değişimi, sıcaklık T L’ den T H’ ye yükselmektedir) Carnot çevriminin kapalı bir sistemde gerçekleştirilişi.
18
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 18 Carnot çevriminin P-V diyagramı.Ters Carnot çevriminin P-V diyagramı. Ters Carnot Çevrimi Carnot ısı makinesi çevrimi tümden tersinir bir çevrimdir. Onu oluşturan tüm hal değişimleri ters yönde gerçekleştirilebilir. Bu durumda Carnot soğutma makinesi çevrimi elde edilir.
19
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 19 Aynı ısıl depolar arasında çalışan tüm tersinir ısı makinelerinin verimi eşittir. TERMODİNAMİK SICAKLIK ÖLÇEĞİ Termodinamik sıcaklık ölçeğini geliştirmek için kullanılan ısı makinelerinin düzeni. Sıcaklığı ölçmek için kullanılan maddelerin özeliklerinden bağımsız olan sıcaklık ölçeğine termodinamik sıcaklık ölçeği adı verilir. Bu tür bir sıcaklık ölçeği, termodinamik hesaplarda büyük kolaylık sağlar.
20
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 20 Tersinir çevrimlerde ısı geçişi oranı Q H /Q L, mutlak sıcaklık oranı T H /T L ’ye eşittir. Q H ve Q L ölçülerek Kelvin ölçeğinde termodinamik sıcaklıkları belirlemeye yönelik kavramsal deney düzeneği. Bu sıcaklık ölçeği Kelvin ölçeği olarak adlandırılır ve bu ölçeğe göre sıcaklıklara mutlak sıcaklıklar denir.
21
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 21 CARNOT ISI MAKİNESİ Carnot ısı makinesi, aynı yüksek ve düşük sıcaklıklı ısıl depolar arasında çalışan ısı makineleri içinde en yüksek verime sahip olanıdır. Herhangi bir ısı makinesi Carnot ısı makinesi Aynı yüksek ve düşük sıcaklıklı ısıl depolar arasında çalışan ısı makinelerinden hiçbirinin verimi, tersinir ısı makinesinin veriminden yüksek olamaz.
22
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 22 Enerjinin Niteliği Kaynak sıcaklığına bağlı olarak ısının işe dönüşme oranı. Isıl enerjinin sıcaklığı ne kadar yüksek olursa, niteliği de o kadar yüksek olur. Carnot ısı makinesinin ısıl verimini nasıl arttırabilirsiniz? Gerçek ısı makineleri için ne dersiniz? Burada sıcaklık için C birimi kullanabilir miyiz?
23
Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci Yasası 23 CARNOT SOĞUTMA MAKİNESİ VE ISI POMPASI Hiçbir soğutma makinesi aynı sıcaklık sınırları arasında çalışan tersinir bir soğutma makinesinden daha yüksek bir COP değerine sahip olamaz. Herhangi bir soğutma makinesi veya ısı pompası Carnot soğutma makinesi veya ısı pompası Carnot soğutma makinesi veya ısı pompasının COP’ sini nasıl arttırabilirsiniz? Gerçek olanları için ne dersiniz?